装配热电偶在沸腾氯化炉中应用与改进探析

1 温度对沸腾氯化体系的影响

四氯化钛作为钛工业领域的关键前驱体化合物，在钛白粉生产及海绵钛制备等过程中具有不可替代的工业价值。当前工业化生产体系主要采用两种核心工艺：熔盐氯化法和沸腾氯化法（流态化氯化法）。其中，沸腾氯化法凭借其独特的技术优势，已成为主流的工业化制备工艺。该工艺的运行机理建立于流态化床反应器的动力学特性与气固两相高效接触的技术基础之上。具体而言，将高钛渣（TiO2质量分数 ⩾92% ）与石油焦按化学计量比预混后导入氯化炉，在维持950±50℃的优化操作温度条件下，持续通入氯气作为双功能介质既能流态化载体实现原料颗粒的持续流化，又能作为氯化剂与二氧化钛发生氧化还原反应。该过程遵循式(1) 的化学反应方程式。

TiO2(s)+C(s)+2Cl2(g)=TiCl4(g)+CO2(g)(ΔH=-224J/mol)

温度升高可显著提升二氧化钛氯化反应的进程速率；其次，温度梯度对反应界面传质效率具有决定性作用，温度过低将导致反应不完全与流化恶化，而温度过高则易引发副反应加剧及颗粒烧结风险，这种双重约束特性构成了流化氯化温度控制的理论基础。

沸腾氯化炉可以通过安装温度传感器和控制系统，实时监测和调节炉内温度，确保其在适宜的范围内波动但沸腾氯化炉体内衬砖分离，生产过程中极易晃动，从而导致热电偶法兰处切断，稳定的氯化炉温度检测体系对控制氯化炉整体温度很重要。

2 热电偶结构优化设计

2.1 传统结构失效机理研究

传统悬臂式热电偶的可靠性缺陷源于其非对称力学结构与高温服役环境的耦合作用。如图 3 所示，原设计将直径 18mm 的 K 型电偶丝嵌入内径 28mm 的氮化硅套管内，使用 Al2O3 基高温陶瓷胶进行轴向粘接固定。

结构粘接力仅 1.2kN），横向刚度系数增加 47 倍。同时，螺纹根部设置半径 0.2mm 的应力释放槽，使局部应力

集中系数从 3.8 降至 1.6；动态补偿密封组件：在法兰盘与套管间增设金属波纹管 - 陶瓷垫片复合密封结构。电偶护套管选用氮化硅材质，其轴向补偿量达 ±1.5mm，可吸收 90% 以上的热膨胀位移。陶瓷垫片采用反应烧结氮化硅（SILICON,NITRIDE），维氏硬度达2200HV，有效防止颗粒介质渗入螺纹副。

3 沸腾氯化体系热电偶温度监测实验平台构建

为量化评估结构优化效果，采用图 1 所示的氯化炉进行实验。系统核心参数包括流化床主体：内径 3600mm ，高度 13500mm ，工作压力 0.3-0.8MPa；颗粒介质：模拟高钛渣（ d50=150μm ，密度 4.2g/ cm3)；流化气体： Nz/Clz 混合气（比例 4:1），流量范围 20-60m³/h ；配置 2 台高精度红外热像仪（FLIRA65，精度 ) 用于采集氯化炉温度。

在相同工艺条件下（Clz 流量 45m³/h ，床层密度 1.8g/cm³. ), 对两种热电偶进行240 小时连续监测，结果如表2 所示：

这种连接方式在常温静态条件下虽能满足基本定位需求，但在实际流化床动态工况中暴露出问题如表 1 所示，其中力学支撑失稳现象尤为突出。当床层内钛渣颗粒以 3-5m/s 的速度持续冲击测温元件时，悬臂结构末端产生周期性的挠曲振动。原结构中的陶瓷胶层虽然具有优良的绝缘性能（体积电阻率 >10¹4Ω⋅cm ），但其导热系数仅有1.2W/(m⋅K) ，显著低于金属套管（14.3W/(m·K)）。这导致温度信号传递过程形成”热阻 - 容滞后链”。通过高温显微观察发现经历 200次 850°C200°C 热循环后，胶层出现明显龟裂现象，裂缝密度达到 2条 /mm² , 造成约 23% 的有效接触面积损失。

2.2 螺纹连接优化方案

针对上述失效模式，本研究提出基于机械互锁原理的三维约束式热电偶结构。如图 4 所示，新型设计的核心创新点在于：螺纹啮合定位系统采用 M12×1.25 公制细牙螺纹，通过优化螺距角构建多向力学约束机制。计算表明，该螺纹副可承受的最大轴向力提升至28kN（原

相较于传统悬臂结构，该设计通过三维力学约束体系有效解决了流态化床内固相介质动态冲刷引致的机械失稳问题，其模块化集成特性显著提升了设备本体与反应环境的匹配度。特别地，梯度复合界面与动态补偿机构的协同作用，实现了在高温氯气氛围下电信号传导路径的持续优化，既保障了温度传感元件对瞬态工艺波动的灵敏响应，又克服了异质材料热膨胀失配带来的慢性失效风险。在工程运维层面，创新结构设计的自稳定特性大幅降低了频繁校准干预的必要性，使得测温系统能够持续适应沸腾氯化工艺的极端工况要求。这种将机械可靠性、热力学适配性与维护经济性相融合的设计理念，为高温气固反应装置的精密监测提供了新的技术范式。

4 结论

实验数据显示，改进后的螺纹连接式热电偶使维护周期从初始设计的 200 小时延长至 1500 小时，温度测量误差由 ±2.5% 降低至±0.8%。结构优化有效缓解颗粒冲刷导致的套管位移问题，轴向

偏移量从 5.3mm 降至 0.1mm 以下。工业化应用表明，新型热电偶使四氯化钛反应温度标准差由 ±8℃减少至 ±3℃ ,TiCl3 杂质生成量降低 44% 。这些改进使年非计划停机次数减少 68% ，单台设备维护成本从 18.6 万元 / 年降至 3.2 万元 / 年。

作者简介：姓名：王守宁；性别：男；出生年月：1995.10；籍贯：辽宁省朝阳市民族：汉；最高学历：本科；目前职称：助理工程师；研究方向：装配热电偶在沸腾氯化炉中应用与改进探析